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本科室友，挺逗一東北人，最近經(jīng)常強(qiáng)調(diào)自己是冰冰的老鄉(xiāng)。某次結(jié)伴去黃山旅行，登頂俯瞰，一覽眾山小，好不壯麗。不過山頂最高處并不能登上，因?yàn)檫@里有一座氣象站，只有站內(nèi)人員和受邀人員才能進(jìn)入。  黃山光明頂氣象站（筆者攝于2018年秋）  黃山頂上還有這么個氣象站，老氣派了！ 這個氣象站，1956年就有啦，十多年前擴(kuò)建了一遍，成了現(xiàn)在這個樣子  這上頭恁大一足球，嘛玩意兒?。?/p> 那不是足球，是雷達(dá) 拉倒吧，雷達(dá)我見過，跟口鍋似的，你看紅警里頭：  游戲中選擇蘇軍陣營，建起這座雷達(dá)，您將獲得右上角的小地圖視野和偵察機(jī)選項(xiàng)（來自游戲《命令與征服：紅色警戒2》） 雷達(dá)種類可多了，紅警里面那就是最常規(guī)的一種雷達(dá)，畫了個模型。這兒的雷達(dá)，叫多普勒雷達(dá)，里面其實(shí)也是像一口鍋一樣，外面是一種特制的殼子，用來保護(hù)天線的。稍微大一點(diǎn)的氣象站現(xiàn)在都有這個高科技產(chǎn)品 就這足球一樣的玩意兒？這么厲害嗎？ 那是，多普勒雷達(dá)可謂功能強(qiáng)大……  哦，那我懂了，應(yīng)該是更像這玩意兒，指哪劈哪，老霸道了！ 天氣控制器，游戲中盟軍陣營的“超級武器”，可以召喚“閃電風(fēng)暴”對敵軍基地帶來致命打擊（來自游戲《命令與征服：紅色警戒2》） 這是咱民用的做天氣預(yù)報(bào)用的雷達(dá)，不是天氣控制器，召喚不了閃電的…… 那這“足球”有啥用呢？ 用處可大了，且聽我慢慢道來 雷達(dá)，大家或許都有所耳聞。小學(xué)的科普書上就會有：人類通過研究蝙蝠捕獵的原理而發(fā)明了雷達(dá)。 雷達(dá)可以發(fā)射電磁波或者聲波，通過計(jì)算發(fā)射信號與反射信號等時間差來推測物體位置和大小。雷達(dá)可以廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)爭、農(nóng)業(yè)、氣象、航空航天等等，是一種很常見的裝備。 雷達(dá)最為人熟知的形狀是一個像大鍋一樣的東西，正中央一根天線，斜向上仰視天空，一邊轉(zhuǎn)一邊探測空中有什么飛行物，就像游戲中描繪的那樣。 但是，雷達(dá)前面加上一個“多普勒”，或許很多人就沒有聽說過了。同時，人們可以注意到在很多氣象站，以及飛機(jī)場邊上的塔臺上有一個神秘的球形或半球形建筑體，細(xì)看仿佛一顆足球一般。
四川省氣象局、深圳市氣象局、浦東機(jī)場塔臺 （圖自image.baidu.com） 泰山頂氣象站（筆者攝于2019年夏） 那么，什么叫“多普勒雷達(dá)”呢？ 這就涉及一個中學(xué)時期的物理概念——多普勒效應(yīng)。 多普勒效應(yīng)是指當(dāng)一個相對于某參照物在運(yùn)動的物體發(fā)出與運(yùn)動方向不垂直的波時，波的波長會相應(yīng)發(fā)生變化的現(xiàn)象。 生活中最常見的多普勒效應(yīng)就是聲音的多普勒效應(yīng)。當(dāng)一輛車從你面前呼嘯而過，它發(fā)出的聲音會從高變低，而聲音的音調(diào)高低與聲波的波長相關(guān)，音調(diào)越高，波長越小，聲波的頻率越高。 因此，對于與聲波傳播方向相同的物體，其音調(diào)會變高，波長變短；與聲波方向相反的運(yùn)動物體，其音調(diào)會變低，波長變長。
多普勒效應(yīng)（來自維基百科） 了解了多普勒效應(yīng)，就很容易明白多普勒雷達(dá)的探測原理。它本身會不斷發(fā)射電磁波信號或者聲波信號，通過探測物體反彈的電磁波/聲波頻率，得到一個頻率差值，再推演出物體的運(yùn)動速度。根據(jù)不同的發(fā)射頻率反射的結(jié)果，可以推演出物體的運(yùn)動方向和距離等等。 它與普通雷達(dá)的最大區(qū)別是需要一直保持開啟狀態(tài)，再利用集成電路和計(jì)算機(jī)等從物體反射的波頻率差異分辨出有效信息。而普通的雷達(dá)是通過計(jì)算從發(fā)射信號到接收反射信號的時間差來推算物體運(yùn)動信息，得到的信息更加簡略。
雷達(dá)探測示意圖（來自維基百科） 運(yùn)用于氣象觀測的多普勒雷達(dá)，發(fā)射的通常是微波（一種電磁波，微波爐里面發(fā)射的那種波就屬于微波），通過多普勒效應(yīng)計(jì)算不同高度層氣流的運(yùn)動速度，可以得到附近區(qū)域的風(fēng)速、水汽等等信息的垂直分布情況。 對于不同的觀測對象，氣象多普勒雷達(dá)的發(fā)射頻率會有所差異，因?yàn)椴煌矬w對電磁波的反射率會隨著頻率變化。 一般而言，單個雷達(dá)的工作頻率范圍是比較有限的，特定的工作頻率只有探測特定大小的粒子時比較準(zhǔn)確。比如測云雷達(dá)適合探測顆粒較小的云微粒，用來探測中高層的云，測量云底和云頂高度等；而測雨雷達(dá)波長更長，頻率更低，適合探測顆粒較大的雨滴和低層的雨云，適合跟蹤可能產(chǎn)生降水的云團(tuán)，從而達(dá)到實(shí)時觀測天氣的目的，因此又叫天氣雷達(dá)。 還有一種“甚高頻/超高頻雷達(dá)”，波長短，可以用來探測大氣湍流，以及大氣層中的帶電粒子，適合用來監(jiān)測閃電等現(xiàn)象。 天氣雷達(dá)回波圖（又被戲稱為“番茄炒蛋圖”） 2017年臺風(fēng)“天鴿”登陸情形，云層越厚重，顏色越紅 那么為什么氣象臺的雷達(dá)會是球形的呢？ 這個球殼叫做“雷達(dá)罩”。 實(shí)際上，多普勒雷達(dá)真正核心的部分仍然是一口大鍋加天線的形狀，與普通雷達(dá)沒有顯著差異。之所以加上一個足球一樣的外殼，主要作用還是保護(hù)內(nèi)部的天線，延長使用壽命，因?yàn)槎嗥绽绽走_(dá)需要全天候開啟，所以加上雷達(dá)罩更加有用。 雷達(dá)罩還可以起到一個讓信號均勻分布的作用。但與此同時，雷達(dá)罩會導(dǎo)致信號衰減，分辨率變差，所以有些分辨率要求較高的雷達(dá)不會安裝這個罩子。 日本某基地的雷達(dá)罩（來自維基百科） 多普勒雷達(dá)目前在氣象和軍事方面應(yīng)用廣泛，是極其重要的設(shè)施。據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)，我國目前有新一代天氣雷達(dá)270部（2020年估計(jì)，基本上都是多普勒雷達(dá)），另有X波段雷達(dá)（應(yīng)急保障或重大活動期間使用）、風(fēng)廓線雷達(dá)（截至2016年共有69部，集中于大城市群）等共同組網(wǎng)，形成了覆蓋全國的氣象觀測網(wǎng)絡(luò)。 參考文獻(xiàn)： 1.天氣雷達(dá)探測與應(yīng)用（胡明寶 編著，氣象出版社，2007.11） 2.雷達(dá)氣象學(xué)（張培昌等 編著，氣象出版社，2005.1） 3.https://en./wiki/Weather_radar 4.https://en./wiki/Doppler_effect 5.https://zhidao.baidu.com/question/118723014.html 6.中國網(wǎng)國情問答：氣象雷達(dá)發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃（2017-2020年）內(nèi)容是什么？ 7.部分圖片來源于谷歌、百度、維基百科、紅色警戒游戲、中國天氣網(wǎng)等 撰稿：張昱衡 美編：李瑩 原標(biāo)題：氣象臺頂上怎么有個“足球”？嘛玩意兒？ 來源：石頭科普工作室 |
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